Техника и технология исследований модельного льда в малом ледовом бассейне

Внедрение: 2019 г.

Повышение вероятности круглогодичной эксплуатации Северного морского пути повышает и значимость задачи определения силового взаимодействия льда с судами ледового плавания и сооружениями, которые эксплуатируются в ледовых условиях. Одним из доступных способов решения такой задачи является модельный эксперимент, требующий соблюдения условий моделирования, главную роль в которых играет адекватная модель лабораторного льда, методика и технология его приготовления, а также способ пересчета результатов, полученных с применением модели судна, на натуру. Исследования в этом направлении проводились в малом ледовом бассейне НГТУ им. Р.Е. Алексеева [1].

В данной работе описано применение предусилителя LP‑04‑M и модуля АЦП E14‑140‑M в задаче исследования разрушения ледяных полей и клавиш, измерения и регистрации силовых и деформационных характеристик этих процессов. Силонагружающее устройство было совмещено с датчиками усилия и перемещения. Внешний вид устройства показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Установка для проведения экспериментов по разрушению льда: 1 – несущая балка; 2 – опоры для крепления на планшире; 3 – раскосы; 4 – винтовые распоры крепления к планширю; 5 – стойка; 6 – передвижная каретка; 7 – блок коммутации; 8 – нагружающий и измерительный блок; 9 – калибровочные грузы датчика силы.	Рисунок 2. Силонагружающее устройство: 1 – тензометрический датчик силы (скоба); 2 – потенциометрический датчик перемещения; 3 – усилитель тензодатчика LP‑04‑M; 4 – рубильник механизма перемещения; 5 – оправка датчика силы; 6 – механизм перемещения упора для создания упора на лёд; 7 – упорный элемент.

Использовался потенциометрический датчик линейных перемещений (рис. 2, поз. 2) марки FWAXXXT/R. Сигналы датчиков усиливались предусилителем LP‑04‑M и передавались на ПК через модуль АЦП/ЦАП E14‑140‑M (рис. 3а, поз. 1). Низковольтное питание датчиков (2,5 В, 5 В) и усилителя обеспечивалось блоками батарей типа АА (рис. 3а, поз. 2).

Рисунок 3. а) блоки регистрации и питания: 1 – устройство регистрации сигналов датчиков; 2 – батареи питания тензодатчика и его усилителя, питание датчика перемещения; 3 – выключатель питания; б) общий вид тензодатчика (скобы).

Тензоскоба, тензометрический датчик силы (рисунок 3б), изготовлен в лаборатории НГТУ. Тензорезисторы на датчике соединены по мостовой схеме, обеспечивающей компенсацию изменения температуры в термокамере. Температура в термокамере и лаборатории измерялась дистанционным термометром.

Опыты по пролому композитного ледяного поля со сферическими гранулами диаметром 2 см носили наладочный характер в рамках подготовки устройств, датчиков, сборке и проверке схемы системы измерений (рисунок 4).

Рисунок 4. Процесс пролома поля композитного льда толщиной 12 мм: а) общий вид установки над полем композитного льда; б) начальный момент контакта штампа со льдом; в) пролом льда; г) возвращение ледяного поля на первоначальный уровень до пролома.

Применение композитного льда на основе полиэтиленовых гранул – способ моделирования ледяного покрова, который предложен в НГТУ им. Р.Е. Алексеева.

Одним из важных вопросов при использовании композиционной модели ледяного покрова является определение величины адгезии гранул ко льду, поскольку прочность льда заменяется силой сцепления с полиэтиленом. Для опытов использовались полиэтиленовые плитки в форме треугольников. Эти плитки примораживались к ледяному покрову бассейна.

Рисунок 5. Опыты по определению величины адгезии полиэтилена ко льду: а) ледяное поле с примороженными плитками; б) отрыв плитки ото льда; в) устройство для создания силы отрыва и для ее измерения

В опытах использовалась установка для проведения экспериментов по разрушению льда (рисунок 1а). К механизму линейного перемещения (рисунок 2, поз. 6) цеплялась тензоскоба (рисунок 3б). Плитка крепилась к скобе с помощью крюка, продетого в отверстие в плитке и связанного с тензодатчиком гибкой нитью.

Ниже приводим выводы авторов статьи [1]:
1. Малый ледовый бассейн является одним из перспективных научных инструментов, позволяющим решать не только частные и прикладные задачи, но и оказывать помощь в решении проблем фундаментального характера.
2. Созданный комплекс оборудования и приборов позволяет решать сложные задачи, связанные с поиском и обоснованием новой модели лабораторного льда на основе композитного льда с применением полиэтиленовых гранул.
3. Предварительные результаты, полученные в опытах по пролому полей композитного льда с применением гранул большого диаметра, показывают возможности получения стабильных свойств и качеств такой модели льда для буксировочных испытаний моделей судов ледового плавания.
4. С помощью разработанных схем измерений на базе экспериментальных установок проверено и уточнено значение адгезии полиэтилена ко льду, дающее возможность построения концептуальных и математических моделей работы композитного моделированного льда.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19‑08‑00820.

Источник:
Зуев В.А., Двойченко Ю.А., Себин А.С. Техника и технология исследований модельного льда в малом ледовом бассейне НГТУ им. Р.Е. Алексеева // Транспортные системы. – 2019. – № 3 (13). – С. 39‑47.

Разработчик: Зуев В.А., Двойченко Ю.А., Себин А.С. (Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева)